试验机设计缺陷对材料弹性模量结果的影响

2012-02-22 21:59:24 admin 85
任何的机器、设备都是由各种材料构成,要使机器、设备安全、可靠的工作,组成机器设备的各零部件,就必须工作在弹性范围之内,而弹性模量就是反应材料弹性阶段性能的最重要的指标之一。因此准确的求取材料的弹性模量非常重要。但遗憾的是,在众多的材料力学性能的指标中,弹性模量是少有的几个不易准确求取的指标之一。笔者从事材料试验机研发工作几十年,对这一问题进行了长期深入的分析与探讨,总结出了产生这一问题的原因与解决的办法。
产生弹性模量误差的原因很多,但归纳起来大概可以分为试验机选型问题、试验机本身的问题及使用方面的问题三类。下面按分类逐个进行分析。
今天介绍一下试验机本身存在设计缺陷对弹性模量的影响
1、数据采集方式不合理
       按定义求取弹性模量的应力、应变是一组关联数据,它们应该同步采集,以此求取的弹性模量才是真实的。早期的材料试验机弹性模量的求取基本上采取X-Y记录仪所绘制的应力-应变曲线图解法取得,这从原理上保证了数据的同步性。但随着A/D转换器及计算机技术在试验机上的应用,目前的数据采集情况比较复杂。有些是同步采集,有些是非同步采集,用户很难区分。下面给大家介绍一个简单的方法,虽然不完全准确,但在大多数时候还是可行的。对于测量弹性模量来说,最少需要两路模拟通道(目前载荷、变形规基本都是模拟传感器),因此可从A/D转换器的数量进行判断。若有多片A/D,则一般为同步采集,至少为准同步采集;若只有一片A/D则一定为非同步采集;对于集成系统的控制器(以计算机为主体,加配各功能卡组装而成),A/D转换器基本上都采用A/D转换卡,它基本上属于非同步采集。那么什么是准同步采集,一般的非同步采集是怎么进行的呢?
       所谓的准同步采集是指不同的通道各自使用独立的A/D转换器,并以同一时钟信号工作,但开始转换与结束转换的时间不完全一致,相互间存在一个恒定的间隔。但由于这个时间间隔一般很小,最大也不会大于一个采样周期(注意:在试验机上最常用的A/D一般采样周期远小于转换周期),其量值最大也就是几个毫秒,因此对采集的数据影响很小。
       常见的非同步采集一般采用循环采样的方法采集不同的通道,由于是循环采样,采集的一组数据中前后采集的时间间隔可能就会较大,当采集通道较多时,所采集数据的关联特性就会明显降低。另外任何的电子元件都存在一定的输入电容与输入电阻,当进行采集通道切换时,这一电容与电阻构成的积分环节,对测量信号会产生积分滞后的效应,使得测量准确度受到影响。受到这双重环节的影响将导致求取的数据精度降低。因此一般情况下应尽量不采用这一采样模式。对于某些必须采用这一模式的情况,则应尽可能的降低试验速度,力求单位时间的数据增量最小,以降低不同步采集的关联误差。并在编制采集软件时,进行适当的处理,如丢掉切换后的前几次转换值等方法,以降低积分效应的影响,但这又会加大循环时间,增大关联误差,所以应综合考虑。建议不要用该类试验机进行高硬度、小变形量、大试验速率的材料试验,它除会对弹性模量有影响外,可能对其它指标的影响会更大。
2、计算软件存在缺陷
        在材料力学性能的试验标准中,弹性模量分为杨氏模量、弦线模量(有些标准中也叫割线模量)和切线模量。它们含义相近,但又不完全相同。一般杨氏模量多用在线性度好的材料,弦线模量和切线模量多用于线性度不太好的材料。在理想线性状态下这三者是一致的。但现实生活中,没有哪一种材料应力、应变成绝对的线性关系,所以三者的数据不会完全相同。由于定义不完全相同,自然算法也就有所不同,但大部分的试验机应用软件,对这方面的考虑很少。
A、没有明确说明所求模量的类型。
       由于不同材料的性能差别很大,为了充分反应各自的性能特点,通常关注的弹性模量的类型也各不相同。如通常状态下,金属一般关注杨氏模量,但对某些非线性弹性状态的金属,则求取弦线模量和切线模量。对于塑料,两种情况都有。而对于橡胶主要关注弦线模量,这样由于所求模量和关注的模量不统一,则必然会造成误差。要解决这一误差,就要求计算软件的种类齐全并在试验时正确的选取与关注模量类型相一致的计算方法。
B、按照理想的线性状态,使用两定点直线的斜率做为杨氏模量。由于实际情况一定与理想情况存在偏差,两点连线的斜率其实是弦线模量。理想的杨氏模量是不存在的。一般的杨氏模量实际上是一条采用最小二乘法人工拟合出的直线的斜率。这两者不是同一条直线,一般其斜率都不会相等。
C、弹性区间不能针对具体材料灵活设置
        不同的材料它的弹性区间所占的比例各不相同,要准确的求取弹性模量,首先就要准确的定义弹性范围,但部分试验机应用程序,使用灵活性很差。它的弹性区间被设为定值,使用人员无法进行改动。因而它只与极少数的材料特性相吻合,必然使得大部分的材料弹性模量求不准确。
 
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